重型燃气轮机领域实现零的突破

 　　东方电气集团所属企业东方汽轮机的燃机总装车间内，国内首台自主研制F级50兆瓦重型燃气轮机正式完工发运，即将进入工程应用阶段，标志着我国在重型燃气轮机领域完成了从“0”到“1”的突破。

　　重型燃气轮机是发电和驱动领域的核心设备，被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。其广泛应用于航空、舰船、管道增压、发电等国防、交通、能源和环保领域，具备极高的战略地位和巨大的市场前景，是一个国家科技水平和综合国力的象征，也是发达国家实施严格技术封锁的关键设备。此前，F级重型燃气轮机的关键技术都掌握在国外巨头手中。

　　为服务国家重大战略需求，2009年东方电气在各级政府的大力支持下，率先在国内开展具有完全自主知识产权的F级50MW重型燃机的研制。

　　十三年磨一剑，东方电气完成了从“0”到“1”的科技突破，建立起完整的设计、制造、试验体系，确保了首台F级50MW重型燃机按时交付发运，打通了自主燃机从攻关走向应用的“最后一公里”。

　　据悉，相较于同功率的火力发电机组，F级50兆瓦重型燃气轮机一年可减少碳排放超过50万吨，联合循环一小时发电量超过七万千瓦时，可以满足7000个家庭1天的用电需求，将积极助推国内“双碳”目标实现。

　　东方电气突破的关键核心技术：

　　◆建立了完整可靠的F级燃气轮机气动设计、结构设计和可靠性评估体系。

　　◆攻克了F级燃气轮机高温部件燃烧器制造、透平叶片精密铸造的难题。

　　◆建成了国内首批压气机、燃烧器、透平、转子动平衡等部件级试验平台和整机试验平台。

　　◆构建了试验验证体系，完成F级50兆瓦燃气轮机全部验证试验。

　　燃气轮机属于第3代动力机械，是多学科交叉的综合性技术载体，设备内部极其复杂。以F级50兆瓦重型燃气轮机整机为例，它由20000多个零件组成，其工作压力18个大气压，工作温度超过1300℃。

　　在这样的高温高压条件下，燃气涡轮要以6000转/分钟的转速高速旋转，线速度超过大型客机飞行速度的两倍。而具有极高承温能力的涡轮叶片是燃气轮机的最核心部件，其综合性能优化是提升燃气轮机效率、延长其寿命的关键。

　　因此，重型燃气轮机涡轮叶片用材料及其制造关键工艺，就成为重型燃气轮机的核心技术。当然，在涡轮叶片的制造过程中，许多关键环节都需要真空技术的参与。

　　涡轮叶片制造

　　重型燃气轮机是典型的高技术密集型设备，自1939年第1台重型燃气轮机在瑞士诞生以来，其涡轮叶片也经历了不同的阶段。定向凝固技术极大地推动了重型燃气轮机涡轮叶片的发展。

　　20世纪40年代，精密铸造技术的发展打破了形变高温合金的制约，使得铸造复杂内腔结构涡轮叶片成为可能。50年代，真空冶炼技术取得重要突破，极大地提高了合金纯净化程度，通过对微量元素的精确控制，实现了合金成分的优化和合金铸造性能的改善。

　　60年代，美国Pratt&Whitney公司创造性地开发了高温合金定向凝固技术，该技术促进了涡轮叶片材料由普通铸造高温合金转变为柱状晶高温合金，继而发展到单晶高温合金，沿应力方向排列的晶粒可以大幅度提高蠕变寿命和热疲劳性能，使叶片使用寿命和承温能力达到了新的高度。

　　目前，工业上制备重燃叶片应用最多的定向凝固技术是高速凝固（HighRateSolidification，HRS）工艺以及液态金属冷却（LiquidMetalCooling，LMCＬ）工艺。

　　HRS利用防辐射挡板将冷、热区隔离开，以获得单向的温度梯度。将带有螺旋选晶器的模壳置于激冷板上，将真空熔炼的合金熔液浇入预加热的陶瓷型壳中，保温一段时间后，沿轴向以一定速率缓慢地抽拉型壳进入冷却区，形成定向热流，获得定向凝固组织。

　　封堵与去密封

　　燃气轮机涡轮叶片通常具有复杂的内腔结构，同时具有数量众多的表面气膜孔。加工过程中的铁屑、微小螺钉等多余物一旦进入叶片的内腔和气膜孔，将很难被发现并清除，这些多余物将是燃气轮机运行过程中的巨大隐患。因此，必须有一种工艺能够很好地阻止多余物进入涡轮叶片内腔和气膜孔，同时又不对加工过程产生任何不利影响。

　　为提高工艺效率和产品质量，通常需要使用真空注蜡机与自动除蜡清洗装备。封堵与去密封过程中注蜡机的注蜡压力、融蜡温度、清洗机的清洗时间、超声功率、清洗温度等关键参数都会对封堵与去密封效果产生重要影响。

　　焊接

　　燃气轮机涡轮叶片包含许多复杂组件，这些组件与叶片主体之间需要通过焊接工艺来连接。但是大部分组件如导流片、盖板等钣金件通常采用高温合金板材，一般的钎焊会导致组件发生反应或氧化。

　　真空钎焊作用原理与普通钎焊相似，所不同的是整个施焊过程是在真空氛围下完成。在真空钎焊过程中，气体基本上都从工件周围的区域中去除。蜂窝真空钎焊是重型燃气轮机涡轮叶片组件焊接工艺中的核心工艺，真空钎焊能够有效的将蜂窝与壳体连接起来。该工序中常用到的设备为真空钎焊炉。

　　当真空焊接炉真空度符合设计规范时，就可均匀提高焊接炉温度，升至1050℃保持一定的时间；然后再均匀降低焊接炉温度，达到设计要求温度时方可打开真空焊接炉门；最后拿出焊接好的蜂窝密封组件。真空焊接炉对钎焊质量影响很大，特别是设备的炉温均匀性和真空度，这样才能满足钎焊质量标准。

　　涂层

　　●铝化物涂层

　　高温防护涂层是保障燃气轮机性能和涡轮叶片寿命的关键核心技术。目前，先进铝化物涂层既可作为燃气轮机涡轮叶片的高温抗氧化涂层，同时也可作为热障涂层的粘结层。

　　铝及改性铝化物涂层的制备方法主要有固体粉末包埋法、热浸法、料浆法和化学气相沉积（CVD）方法。其中CVD法是非接触式涂层制备方法，涂层厚度均匀，可控性高，适用于形状复杂的零件，是燃气轮机涡轮叶片高温防护涂层制备的首选。而CVD制备涂层则需要在真空环境下进行。

　　●热障涂层

　　热障涂层技术是先进燃气轮机制造的关键工艺技术之一，是目前保障涡轮叶片使用寿命切实可行的手段。热障涂层由底层和面层构成，底层通常分为两类，一类是前述扩散铝化物涂层，另一类是包覆金属涂层，后者的制备方法有很多，其中PVD和热喷涂的应用最多。

　　热障涂层的制备方法主要包括高速火焰喷涂（HVOF）、高频脉冲爆炸喷涂（HFPD）、等离子体喷涂（APS）、电子束物理气相沉积（EB-PVD），其中等离子体喷涂和电子束物理气相沉积应用最为广泛，近年来，在现有技术的基础上又开发了等离子激活电子束物理气相沉积、悬浮等离子喷涂、等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）等新型制备工艺。同样的，这些工艺多数都需要抽真空以满足制备环境的要求。

　　重型燃气轮机涡轮叶片所需的抗热冲击循环寿命有大幅提高，需要很厚的热障涂层加以防护，其热障涂层的制备以HVOF制备底层，APS制备面层为主。

　　此外，随着科技的不断进步和发展，国内外也开始应用金属3D打印技术制造燃机叶片，其打印设备的销量正在持续增长，具有着高效、低消耗、低成本的优点。金属3D打印技术也与真空技术密不可分。